JP2017077096A - Power conversion apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion apparatus having improved conversion efficiency by reducing power loss.SOLUTION: A power conversion apparatus includes: a DC power supply 18; switching elements 1 to 4; soft switching capacitors 1b, 4b; clamping diodes 5a, 6a; a clamping capacitor 17; smoothing capacitors 15, 16; and a series circuit composed of a bidirectional switch 20, a primary winding 10a, and a capacitor 9, causes the bidirectional switch 20 to be configured such that switching elements 7, 8 having anti-parallel connected reflux diodes 7a', 8a' are connected in anti-series to each other, and changes a potential at a connection point of switching elements 2, 3 to three levels by turning on/off the switching elements 1 to 4 while a connection point of the capacitors 15, 16 and a connection point of the diodes 5a, 6a are connected to each other. In the power conversion apparatus, the switching elements 1 to 4, 7, and 8 are constituted of a WBG material, and the reflux diodes 7a', 8a' are constituted of a silicon-based material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、スイッチング損失や通流損失を低減させたＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置に関するものである。   The present invention relates to a power conversion device such as a DC / DC converter with reduced switching loss and conduction loss.

半導体スイッチング素子のスイッチング動作では、スイッチング素子両端の電圧及びスイッチング素子を流れる電流が一定の遅延時間と傾きとを持って変化するため、スイッチング素子のオン・オフ時に、電圧波形と電流波形とが重なってスイッチング損失が発生する。また、電力変換装置に使用されるトランスはスイッチング周波数が高いほど小型化が可能であるが、上述したスイッチング損失はスイッチング周波数に比例して増加するので、トランスの小型化と高周波スイッチングとを両立することは困難である。
これらの問題を解決するために、特許文献１には、スイッチング素子の両端電圧及び電流がゼロの状態でスイッチングを行う、いわゆるゼロ電圧／ゼロ電流のスイッチング方式を採用した３レベルＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。 In the switching operation of a semiconductor switching element, the voltage at both ends of the switching element and the current flowing through the switching element change with a certain delay time and slope, so the voltage waveform and the current waveform overlap when the switching element is turned on and off. Switching loss. Moreover, although the transformer used for the power converter can be downsized as the switching frequency is higher, the above-described switching loss increases in proportion to the switching frequency, so that both the downsizing of the transformer and the high frequency switching are compatible. It is difficult.
In order to solve these problems, Patent Document 1 discloses a three-level DC / DC converter that employs a so-called zero voltage / zero current switching method that performs switching in a state where the voltage and current across the switching element are zero. It is disclosed.

図４は、特許文献１に記載された３レベルＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
図４において、１８は直流電源、１５，１６は直流電源１８の正負極間に互いに直列に接続された平滑用コンデンサ、３１〜３４は半導体スイッチング素子、３１ｂ，３４ｂはソフトスイッチング用コンデンサ、５ａ，６ａはクランプ用ダイオード、１７はクランプ用コンデンサ、３５，３６は互いに逆直列に接続されて双方向スイッチ３７を構成する半導体スイッチング素子、９は電流リセット用コンデンサ、１０はトランス、１０ａ，１０ｂはトランス１０の一次巻線，二次巻線、１１はダイオードブリッジからなる整流回路、１２はフィルタ用リアクトル、１３はフィルタ用コンデンサ、１４は負荷を示す。 FIG. 4 is a circuit diagram of the three-level DC / DC converter described in Patent Document 1.
In FIG. 4, 18 is a DC power supply, 15 and 16 are smoothing capacitors connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply 18, 31 to 34 are semiconductor switching elements, 31b and 34b are soft switching capacitors, 5a, 6a is a clamping diode, 17 is a clamping capacitor, 35 and 36 are semiconductor switching elements connected in reverse series to constitute a bidirectional switch 37, 9 is a current resetting capacitor, 10 is a transformer, 10a and 10b are transformers Reference numeral 10 denotes a primary winding and a secondary winding, 11 denotes a rectifier circuit including a diode bridge, 12 denotes a filter reactor, 13 denotes a filter capacitor, and 14 denotes a load.

図５は、図４に示した従来技術の動作波形である。
スイッチング素子３１，３４は、ソフトスイッチング用コンデンサ３１ｂ，３４ｂの作用により両端電圧がゼロの状態でターンオンし、ターンオフ時は、遮断電流がソフトスイッチング用コンデンサ３１ｂ，３４ｂに分流するため、いわゆるゼロ電圧スイッチング動作を行う。また、スイッチング素子３２，３３，３５，３６は、電流がゼロの状態でターンオンし、トランス１０の微弱な励磁電流のピーク値付近の電流が流れている状態でターンオフするため、ほぼゼロ電流スイッチング動作を行う。
なお、図５において、Ｓ３１〜Ｓ３６は、それぞれスイッチング素子３１〜３６の駆動信号である。 FIG. 5 shows operation waveforms of the prior art shown in FIG.
The switching elements 31 and 34 are turned on with the voltage at both ends being zero by the action of the soft switching capacitors 31b and 34b. When the switching elements 31 and 34 are turned off, the cutoff current is divided into the soft switching capacitors 31b and 34b. Perform the action. The switching elements 32, 33, 35, and 36 are turned on when the current is zero, and are turned off when the current near the peak value of the weak excitation current of the transformer 10 is flowing. I do.
In FIG. 5, S 31 to S 36 are drive signals for the switching elements 31 to 36 , respectively.

この従来技術において、負荷１４に電力を供給しない期間は、トランス１０の一次側電流をゼロにリセットし、双方向スイッチ３７によって逆流を防止しているため、余分な通流損失やトランス１０における損失を低減することができる。   In this prior art, during the period in which power is not supplied to the load 14, the primary current of the transformer 10 is reset to zero and the backflow is prevented by the bidirectional switch 37. Can be reduced.

次に、図６は、特許文献２に記載されたフルブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータ（２レベルコンバータ）の回路図である。
図６において、図４と同一の機能を有するものには同一の符号を付してあり、以下では図４と異なる部分を中心に説明する。 Next, FIG. 6 is a circuit diagram of a full-bridge DC / DC converter (two-level converter) described in Patent Document 2.
6, components having the same functions as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and the following description will focus on portions different from those in FIG.

図６に示すＤＣ／ＤＣコンバータでは、スイッチング素子３１，３２の直列回路とスイッチング素子３３，３４の直列回路とが、直流電源１８の正負極間に互いに並列に接続されており、これらのスイッチング素子３１〜３４は、直流電源１８の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部を構成している。なお、３１ｂ，３２ｂ，３３ｂ，３４ｂは、スイッチング素子３１〜３４にそれぞれ並列に接続されたソフトスイッチング用コンデンサである。
また、スイッチング素子３１，３２同士の接続点とスイッチング素子３３，３４同士の接続点との間には、双方向スイッチ３７とトランス１０の一次巻線１０ａと共振用コイル１９とが接続されている。 In the DC / DC converter shown in FIG. 6, the series circuit of the switching elements 31 and 32 and the series circuit of the switching elements 33 and 34 are connected in parallel between the positive and negative electrodes of the DC power supply 18, and these switching elements 31 to 34 constitute an inverter unit that converts a DC voltage of the DC power source 18 into an AC voltage. Reference numerals 31b, 32b, 33b, and 34b are soft switching capacitors connected in parallel to the switching elements 31 to 34, respectively.
A bidirectional switch 37, the primary winding 10a of the transformer 10, and the resonance coil 19 are connected between a connection point between the switching elements 31 and 32 and a connection point between the switching elements 33 and 34. .

更に、図７は、特許文献３に記載されたハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。このＤＣ／ＤＣコンバータは、図６のスイッチング素子３１，３２の直列回路の代わりにコンデンサ１５，１６の直列回路が接続され、更に図６の共振用コイル１９を除去した点のみが相違するため、以下では、図６に示したフルブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータについて、その動作を図８に基づいて説明する。   Further, FIG. 7 is a circuit diagram of the half-bridge type DC / DC converter described in Patent Document 3. This DC / DC converter is different only in that a series circuit of capacitors 15 and 16 is connected instead of the series circuit of switching elements 31 and 32 in FIG. 6 and the resonance coil 19 in FIG. 6 is further removed. Hereinafter, the operation of the full-bridge type DC / DC converter shown in FIG. 6 will be described with reference to FIG.

図８に示すように、スイッチング素子３１〜３４は、ソフトスイッチング用コンデンサ３１ｂ〜３４ｂの作用によって両端電圧がゼロの状態でターンオンすると共に、ターンオフ時は、遮断電流がソフトスイッチング用コンデンサ３１ｂ〜３４ｂに分流するため、ゼロ電圧スイッチング動作を行う。また、スイッチング素子３５，３６は、電流がゼロの状態でターンオンし、トランス１０の微弱な励磁電流のピーク値付近の電流が流れている状態でターンオフするため、ほぼゼロ電流スイッチング動作を行う。
これらの従来技術においても、負荷１４に電力を供給しない期間は、トランス１０の一次側電流をゼロにリセットし、双方向スイッチ３７によって逆流を防止しているため、余分な通流損失やトランス１０における損失を低減することができる。 As shown in FIG. 8, the switching elements 31 to 34 are turned on with the voltage at both ends being zero by the action of the soft switching capacitors 31b to 34b, and at the time of turn off, the cutoff current is applied to the soft switching capacitors 31b to 34b. In order to shunt, a zero voltage switching operation is performed. Further, the switching elements 35 and 36 are turned on in a state where the current is zero, and are turned off in a state where a current near the peak value of the weak excitation current of the transformer 10 is flowing.
Also in these prior arts, during the period in which power is not supplied to the load 14, the primary current of the transformer 10 is reset to zero and the backflow is prevented by the bidirectional switch 37. Loss can be reduced.

特開２０１４-１０３７２５号公報（段落［００１６］〜［００２９］、図１，図２）JP 2014-103725 A (paragraphs [0016] to [0029], FIGS. 1 and 2) 特開２０１３-１８８０８９号公報（段落［００２５］〜［００４０］、図１，図２）JP 2013-188089 A (paragraphs [0025] to [0040], FIGS. 1 and 2) 特開２０１３-１８８０９０号公報（段落［００１４］〜［００３１］、図１，図２）JP 2013-188090 A (paragraphs [0014] to [0031], FIGS. 1 and 2)

図４のスイッチング素子３２，３３，３５，３６や図６，図７のスイッチング素子３５，３６のターンオフ動作は、絶縁トランス１０の励磁電流のピーク値付近の電流が流れている状態で行われるため、スイッチング周波数に比例してスイッチング損失が増加する。特に、スイッチング周波数が数十[ｋＨｚ]以上の動作領域では損失が著しく増えてしまい、ＤＣ−ＤＣコンバータ全体の変換効率が低下するという問題があった。   The switching elements 32, 33, 35, and 36 in FIG. 4 and the switching elements 35 and 36 in FIGS. 6 and 7 are turned off because a current near the peak value of the exciting current of the insulating transformer 10 flows. The switching loss increases in proportion to the switching frequency. In particular, in the operation region where the switching frequency is several tens [kHz] or more, the loss is remarkably increased, and there is a problem that the conversion efficiency of the entire DC-DC converter is lowered.

そこで、本発明の解決課題は、スイッチング損失や還流ダイオード等の通流損失を低減して従来よりも変換効率を向上させた電力変換装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a power conversion device in which the conversion loss is reduced and the conversion efficiency is improved as compared with the prior art by reducing the switching loss and the flow loss such as the freewheeling diode.

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、
直流電源と、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続された第１〜第４の半導体スイッチング素子と、
前記第１，第４の半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に接続されたソフトスイッチング用コンデンサと、
前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に、互いに直列に接続された第１，第２のクランプ用ダイオードと、
前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に接続されたクランプ用コンデンサと、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続された第１，第２の平滑用コンデンサと、
前記第２，第３の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第１，第２のクランプ用ダイオード同士の接続点との間に接続された双方向スイッチとインダクタンス要素と電流リセット用コンデンサとの直列回路と、を備え、
前記双方向スイッチを、還流ダイオードがそれぞれ逆並列に接続された第５，第６の半導体スイッチング素子を逆直列に接続して構成すると共に、前記第１，第２の平滑用コンデンサ同士の接続点と前記第１，第２のクランプ用ダイオード同士の接続点とを接続してなる電力変換装置であって、前記第１〜第４の半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記第２，第３の半導体スイッチング素子同士の接続点の電位を３レベルに変化させる電力変換装置において、
前記第１〜第６の半導体スイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体材料により構成し、かつ、前記還流ダイオードをシリコン系の半導体材料により構成したものである。 In order to solve the above problem, the invention according to claim 1
DC power supply,
First to fourth semiconductor switching elements connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply;
A soft switching capacitor connected in parallel to each of the first and fourth semiconductor switching elements;
First and second clamping diodes connected in series between a connection point between the first and second semiconductor switching elements and a connection point between the third and fourth semiconductor switching elements; ,
A clamping capacitor connected between a connection point between the first and second semiconductor switching elements and a connection point between the third and fourth semiconductor switching elements;
First and second smoothing capacitors connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply;
A bidirectional switch, an inductance element, and a current reset capacitor connected in series between the connection point of the second and third semiconductor switching elements and the connection point of the first and second clamping diodes. A circuit,
The bidirectional switch is configured by connecting fifth and sixth semiconductor switching elements, each having a free-wheeling diode connected in anti-parallel, in anti-series, and a connection point between the first and second smoothing capacitors. And a connection point between the first and second clamping diodes, wherein the second, third and third power switching devices are turned on and off by the first to fourth semiconductor switching elements. In the power conversion device that changes the potential at the connection point between the semiconductor switching elements to three levels,
The first to sixth semiconductor switching elements are made of a wide band gap semiconductor material, and the reflux diode is made of a silicon-based semiconductor material.

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、前記第１〜第６の半導体スイッチング素子が、ＳｉＣまたはＧａＮからなるＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the power conversion device according to claim 1, wherein the first to sixth semiconductor switching elements are MOSFETs made of SiC or GaN.

請求項３に係る発明は、
直流電源と、
前記直流電源の直流電圧を交流電圧に変換するための複数の半導体スイッチング素子を有するインバータ部と、
前記半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に接続されたソフトスイッチング用コンデンサと、
前記インバータ部の交流出力端子間に接続された双方向スイッチとトランスの一次巻線と共振用コイルとの直列回路と、を備え、
前記双方向スイッチを、還流ダイオードがそれぞれ逆並列に接続された二つの半導体スイッチング素子を逆直列に接続して構成される電力変換装置において、
前記インバータ部及び前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体材料により構成し、かつ、前記還流ダイオードをシリコン系の半導体材料により構成したものである。 The invention according to claim 3
DC power supply,
An inverter unit having a plurality of semiconductor switching elements for converting a DC voltage of the DC power source into an AC voltage;
A soft switching capacitor connected in parallel to each of the semiconductor switching elements;
A bidirectional switch connected between the AC output terminals of the inverter unit, a series circuit of a primary winding of the transformer and a resonance coil;
In the power converter configured by connecting the two-way switch in reverse series with two semiconductor switching elements each having a reflux diode connected in antiparallel,
The semiconductor switching elements constituting the inverter unit and the bidirectional switch are made of a wide band gap semiconductor material, and the reflux diode is made of a silicon-based semiconductor material.

請求項４に係る発明は、請求項３に記載した電力変換装置において、前記インバータ部及び前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子が、ＳｉＣまたはＧａＮからなるＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the power conversion device according to the third aspect, the semiconductor switching elements constituting the inverter unit and the bidirectional switch are MOSFETs made of SiC or GaN.

本発明によれば、半導体スイッチング素子としてワイドバンドギャップ半導体材料からなる素子を用いたため、高周波動作時のスイッチング損失を低減することができ、また、双方向スイッチ内の還流ダイオード等に低オン抵抗特性のシリコン系ダイオードを使用することで、通流損失の低減も可能である。これにより、変換効率の高い電力変換装置を提供することができる。   According to the present invention, since an element made of a wide band gap semiconductor material is used as a semiconductor switching element, switching loss during high-frequency operation can be reduced, and low on-resistance characteristics can be achieved in a free wheel diode in a bidirectional switch. By using a silicon-based diode, it is possible to reduce conduction loss. Thereby, a power converter device with high conversion efficiency can be provided.

本発明の第１実施形態に係る３レベルＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。1 is a circuit diagram of a three-level DC / DC converter according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第２実施形態に係るフルブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the full bridge type DC / DC converter concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第３実施形態に係るハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the half bridge type DC / DC converter which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 特許文献１に記載された従来技術を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the prior art described in patent document 1. 図４の動作波形図である。FIG. 5 is an operation waveform diagram of FIG. 4. 特許文献２に記載された従来技術を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the prior art described in patent document 2. 特許文献３に記載された従来技術を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the prior art described in patent document 3. 図６の動作波形図である。FIG. 7 is an operation waveform diagram of FIG. 6.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。まず、図１は本発明の第１実施形態に係る３レベルＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
このＤＣ／ＤＣコンバータは、直列に接続された複数の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作により、直流電源の電圧を３レベルの電圧に変換してトランスの一次側に加え、その二次側出力を整流、平滑して直流電圧に変換するものである。なお、本発明は、トランスの二次側から負荷に交流電力を供給する３レベルインバータ等にも適用可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram of a three-level DC / DC converter according to the first embodiment of the present invention.
This DC / DC converter converts the voltage of the DC power source into a three-level voltage by the on / off operation of a plurality of semiconductor switching elements connected in series, adds it to the primary side of the transformer, and outputs its secondary side output. It is rectified and smoothed and converted to a DC voltage. The present invention can also be applied to a three-level inverter that supplies AC power to the load from the secondary side of the transformer.

図１において、３レベルＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源１８と、直流電源１８の正負極間に互いに直列接続された半導体スイッチング素子１〜４と、スイッチング素子１，４にそれぞれ並列に接続されたソフトスイッチング用コンデンサ１ｂ，４ｂと、スイッチング素子１，２同士の接続点とスイッチング素子３，４同士の接続点との間に接続されたクランプ用コンデンサ１７と、このクランプ用コンデンサ１７に並列に接続され、かつ互いに直列に接続されたシリコン系半導体材料からなるクランプ用ダイオード５ａ，６ａと、直流電源１８の正負極間に互いに直列に接続された平滑用コンデンサ１５，１６と、を備えている。   In FIG. 1, the three-level DC / DC converter is connected in parallel to the DC power source 18, the semiconductor switching elements 1 to 4 connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power source 18, and the switching elements 1 and 4. Soft switching capacitors 1b and 4b, a clamping capacitor 17 connected between a connection point between the switching elements 1 and 2 and a connection point between the switching elements 3 and 4, and a parallel connection to the clamping capacitor 17 And clamping diodes 5a and 6a made of silicon-based semiconductor materials connected in series with each other, and smoothing capacitors 15 and 16 connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply 18.

また、スイッチング素子２，３同士の接続点とクランプ用ダイオード５ａ，６ａ同士の接続点との間には、スイッチング素子７，８を逆方向に直列接続した双方向スイッチ２０と、スイッチング素子７，８にそれぞれ逆並列に接続された低オン抵抗特性のシリコン系半導体材料からなる還流ダイオード７ａ’，８ａ’と、トランス１０の一次巻線１０ａと、電流リセット用コンデンサ９と、が直列に接続されている。ここで、クランプ用ダイオード５ａ，６ａ同士の接続点と平滑コンデンサ１５，１６同士の接続点とは、等電位を保つために互いに接続されている。
更に、トランス１０の二次巻線１０ｂの両端には、ダイオードブリッジからなる整流回路１１とフィルタ用リアクトル１２とフィルタ用コンデンサ１３とが接続され、フィルタ用コンデンサ１３の両端に負荷１４が接続されている。 Further, between the connection point between the switching elements 2 and 3 and the connection point between the clamping diodes 5a and 6a, the bidirectional switch 20 in which the switching elements 7 and 8 are connected in series in the reverse direction; 8, free-wheeling diodes 7a ′ and 8a ′ made of silicon-based semiconductor material having low on-resistance characteristics connected in antiparallel to each other, a primary winding 10a of a transformer 10 and a current reset capacitor 9 are connected in series. ing. Here, the connection point between the clamping diodes 5a and 6a and the connection point between the smoothing capacitors 15 and 16 are connected to each other in order to maintain an equipotential.
Further, a rectifier circuit 11 comprising a diode bridge, a filter reactor 12 and a filter capacitor 13 are connected to both ends of the secondary winding 10b of the transformer 10, and a load 14 is connected to both ends of the filter capacitor 13. Yes.

なお、前記スイッチング素子１〜４，７，８は、ＳｉＣ（炭化珪素）やＧａＮ（窒化ガリウム）等のワイドバンドギャップ半導体材料によって形成されている。１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，７ａ，８ａは、それぞれ各スイッチング素子１〜４，７，８の内部の寄生ダイオードである。
周知のように、ワイドバンドギャップ半導体材料からなるスイッチング素子は、高速動作が可能で低損失であり、図１のようなＤＣ／ＤＣコンバータに適用すれば、小型のトランス１０を使用して低損失にて高周波スイッチングを行うことができる。
図示例では、スイッチング素子１〜４，７，８にＭＯＳＦＥＴを用いているが、従来技術のようにＩＧＢＴを用いても良い。 The switching elements 1 to 4, 7, and 8 are made of a wide band gap semiconductor material such as SiC (silicon carbide) or GaN (gallium nitride). Reference numerals 1a, 2a, 3a, 4a, 7a, and 8a are parasitic diodes inside the switching elements 1 to 4, 7 and 8, respectively.
As is well known, a switching element made of a wide bandgap semiconductor material can operate at high speed and has low loss. When applied to a DC / DC converter as shown in FIG. High frequency switching can be performed at.
In the illustrated example, MOSFETs are used for the switching elements 1 to 4, 7, and 8, but IGBTs may be used as in the prior art.

この実施形態の動作波形は、基本的に図５に示したものと同様であり、スイッチング素子１，４はソフトスイッチング用コンデンサ１ｂ，４ｂの作用によってゼロ電圧スイッチング動作を行うと共に、スイッチング素子２，３，７，８は、電流がゼロの状態でターンオンし、トランス１０の微弱な励磁電流のピーク値付近の電流が流れている状態でターンオフするため、ほぼゼロ電流スイッチング動作を行う。ここで、スイッチング素子１〜４，７，８はワイドバンドギャップ半導体材料により構成されているので、スイッチング周波数が数十[ｋＨｚ]以上であっても、スイッチング損失は大幅に低減される。
更に、還流ダイオード７ａ’，８ａ’に、寄生ダイオード７ａ，８ａより低オン抵抗特性のシリコン系ダイオードを用いることにより、通流損失の低減も可能である。 The operation waveforms of this embodiment are basically the same as those shown in FIG. 5, and the switching elements 1 and 4 perform a zero voltage switching operation by the action of the soft switching capacitors 1b and 4b, and 3, 7, and 8 are turned on when the current is zero, and are turned off when the current near the peak value of the weak excitation current of the transformer 10 is flowing, so that almost zero current switching operation is performed. Here, since the switching elements 1 to 4, 7, and 8 are made of a wide band gap semiconductor material, the switching loss is greatly reduced even if the switching frequency is several tens [kHz] or more.
Further, by using silicon diodes having lower on-resistance characteristics than the parasitic diodes 7a and 8a as the freewheeling diodes 7a 'and 8a', the conduction loss can be reduced.

次に、図２は、本発明の第２実施形態に係るフルブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
この実施形態は、図６に示したフルブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるスイッチング素子３１〜３６に代えて、ワイドバンドギャップ半導体材料からなるスイッチング素子１〜４，７，８をそれぞれ使用したものであり、その他の構成は図６と同様である。なお、スイッチング素子１〜４は、直流電源１８の直流電圧を交流電圧に変換するフルブリッジ型のインバータ部を構成している。
図２において、１ａ〜４ａ，７ａ，８ａは寄生ダイオード、１ｂ〜４ｂはソフトスイッチング用コンデンサ、７ａ’，８ａ’はシリコン系の還流ダイオードである。 Next, FIG. 2 is a circuit diagram of a full bridge type DC / DC converter according to a second embodiment of the present invention.
In this embodiment, instead of the switching elements 31 to 36 in the full bridge type DC / DC converter shown in FIG. 6, switching elements 1 to 4, 7 and 8 made of a wide band gap semiconductor material are used. Other configurations are the same as those in FIG. The switching elements 1 to 4 constitute a full-bridge type inverter unit that converts a DC voltage of the DC power supply 18 into an AC voltage.
In FIG. 2, reference numerals 1a to 4a, 7a and 8a are parasitic diodes, 1b to 4b are soft switching capacitors, and 7a 'and 8a' are silicon-based free-wheeling diodes.

この実施形態の動作は、図６と基本的に同様である。すなわち、スイッチング素子１〜４はソフトスイッチング用コンデンサ１ｂ〜４ｂの作用によってゼロ電圧スイッチング動作を行い、スイッチング素子７，８は、電流がゼロの状態でターンオンし、トランス１０の微弱な励磁電流のピーク値付近の電流が流れている状態でターンオフするため、ほぼゼロ電流スイッチング動作を行う。
また、スイッチング素子１〜４，７，８をワイドバンドギャップ半導体材料により構成したことにより、スイッチング損失が大幅に低減されると共に、還流ダイオード７ａ’，８ａ’に低オン抵抗特性のシリコン系ダイオードを用いることで通流損失の低減も可能になる。 The operation of this embodiment is basically the same as that of FIG. That is, the switching elements 1 to 4 perform a zero voltage switching operation by the action of the soft switching capacitors 1b to 4b, and the switching elements 7 and 8 are turned on when the current is zero, and the peak of the weak excitation current of the transformer 10 Since the turn-off is performed while a current near the value flows, a substantially zero current switching operation is performed.
Further, since the switching elements 1 to 4, 7 and 8 are made of a wide band gap semiconductor material, the switching loss is greatly reduced, and silicon diodes having low on-resistance characteristics are provided in the free wheel diodes 7a 'and 8a'. By using it, the conduction loss can be reduced.

更に、図３は、本発明の第３実施形態に係るハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
この実施形態は、図７に示したハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるスイッチング素子３３〜３６に代えて、ワイドバンドギャップ半導体材料からなるスイッチング素子３，４，７，８をそれぞれ使用したものであり、その他の構成は図７と同様である。なお、平滑用コンデンサ１５，１６及びスイッチング素子３，４は、直流電源１８の直流電圧を交流電圧に変換するハーフブリッジ型のインバータ部を構成している。
図３において、３ａ，４ａ，７ａ，８ａは寄生ダイオード、３ｂ，４ｂはソフトスイッチング用コンデンサ、７ａ’，８ａ’はシリコン系の還流ダイオードである。 FIG. 3 is a circuit diagram of a half-bridge type DC / DC converter according to a third embodiment of the present invention.
In this embodiment, switching elements 3, 4, 7, and 8 made of a wide band gap semiconductor material are used in place of the switching elements 33 to 36 in the half-bridge type DC / DC converter shown in FIG. Other configurations are the same as those in FIG. The smoothing capacitors 15 and 16 and the switching elements 3 and 4 constitute a half-bridge inverter unit that converts the DC voltage of the DC power supply 18 into an AC voltage.
In FIG. 3, 3a, 4a, 7a and 8a are parasitic diodes, 3b and 4b are soft switching capacitors, and 7a 'and 8a' are silicon-based free-wheeling diodes.

この実施形態の動作は、図７と基本的に同様であり、スイッチング素子３，４はソフトスイッチング用コンデンサ３ｂ，４ｂの作用によってゼロ電圧スイッチング動作を行い、スイッチング素子７，８は、電流がゼロの状態でターンオンし、トランス１０の微弱な励磁電流のピーク値付近の電流が流れている状態でターンオフするため、ほぼゼロ電流スイッチング動作を行う。
この実施形態においても、スイッチング素子３，４，７，８をワイドバンドギャップ半導体材料によって構成したためスイッチング損失が大幅に低減されると共に、還流ダイオード７ａ’，８ａ’に低オン抵抗特性のシリコン系ダイオードを用いることで、通流損失の低減が可能である。 The operation of this embodiment is basically the same as that of FIG. 7, and the switching elements 3 and 4 perform a zero voltage switching operation by the action of the soft switching capacitors 3b and 4b, and the switching elements 7 and 8 have zero current. In this state, the turn-on is performed, and the turn-off is performed in a state where a current near the peak value of the weak excitation current of the transformer 10 is flowing. Therefore, a substantially zero current switching operation is performed.
Also in this embodiment, since the switching elements 3, 4, 7, and 8 are made of a wide bandgap semiconductor material, the switching loss is greatly reduced, and the free diodes 7a 'and 8a' have a low on-resistance characteristic silicon-based diode. It is possible to reduce the flow loss by using.

１，２，３，４，７，８：半導体スイッチング素子
１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，７ａ，８ａ：寄生ダイオード
１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂ：ソフトスイッチング用コンデンサ
５ａ，６ａ：クランプ用ダイオード
７ａ’，８ａ’：還流ダイオード
９：電流リセット用コンデンサ
１０：トランス
１１：整流回路
１２：フィルタ用リアクトル
１３：フィルタ用コンデンサ
１４：負荷
１５，１６：平滑用コンデンサ
１７：クランプ用コンデンサ
１８：直流電源
１９：共振用コイル
２０：双方向スイッチ 1, 2, 3, 4, 7, 8: Semiconductor switching elements 1a, 2a, 3a, 4a, 7a, 8a: Parasitic diodes 1b, 2b, 3b, 4b: Soft switching capacitors 5a, 6a: Clamping diode 7a ′ 8a ': freewheeling diode 9: current reset capacitor 10: transformer 11: rectifier circuit 12: filter reactor 13: filter capacitor 14: load 15, 16: smoothing capacitor 17: clamp capacitor 18: DC power supply 19: Resonant coil 20: bidirectional switch

Claims (4)

直流電源と、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続された第１〜第４の半導体スイッチング素子と、
前記第１，第４の半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に接続されたソフトスイッチング用コンデンサと、
前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に、互いに直列に接続された第１，第２のクランプ用ダイオードと、
前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の接続点との間に接続されたクランプ用コンデンサと、
前記直流電源の正負極間に互いに直列に接続された第１，第２の平滑用コンデンサと、
前記第２，第３の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第１，第２のクランプ用ダイオード同士の接続点との間に接続された双方向スイッチとインダクタンス要素と電流リセット用コンデンサとの直列回路と、を備え、
前記双方向スイッチを、還流ダイオードがそれぞれ逆並列に接続された第５，第６の半導体スイッチング素子を逆直列に接続して構成すると共に、前記第１，第２の平滑用コンデンサ同士の接続点と前記第１，第２のクランプ用ダイオード同士の接続点とを接続してなる電力変換装置であって、前記第１〜第４の半導体スイッチング素子のオン・オフにより前記第２，第３の半導体スイッチング素子同士の接続点の電位を３レベルに変化させる電力変換装置において、
前記第１〜第６の半導体スイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体材料により構成し、かつ、前記還流ダイオードをシリコン系の半導体材料により構成したことを特徴とする電力変換装置。 DC power supply,
First to fourth semiconductor switching elements connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply;
A soft switching capacitor connected in parallel to each of the first and fourth semiconductor switching elements;
First and second clamping diodes connected in series between a connection point between the first and second semiconductor switching elements and a connection point between the third and fourth semiconductor switching elements; ,
A clamping capacitor connected between a connection point between the first and second semiconductor switching elements and a connection point between the third and fourth semiconductor switching elements;
First and second smoothing capacitors connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply;
A bidirectional switch, an inductance element, and a current reset capacitor connected in series between the connection point of the second and third semiconductor switching elements and the connection point of the first and second clamping diodes. A circuit,
The bidirectional switch is configured by connecting fifth and sixth semiconductor switching elements, each having a free-wheeling diode connected in anti-parallel, in anti-series, and a connection point between the first and second smoothing capacitors. And a connection point between the first and second clamping diodes, wherein the second, third and third power switching devices are turned on and off by the first to fourth semiconductor switching elements. In the power conversion device that changes the potential at the connection point between the semiconductor switching elements to three levels,
The power converter according to claim 1, wherein the first to sixth semiconductor switching elements are made of a wide band gap semiconductor material, and the reflux diode is made of a silicon-based semiconductor material. 請求項１に記載した電力変換装置において、
前記第１〜第６の半導体スイッチング素子が、ＳｉＣまたはＧａＮからなるＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to claim 1,
The power converter according to claim 1, wherein the first to sixth semiconductor switching elements are MOSFETs made of SiC or GaN. 直流電源と、
前記直流電源の直流電圧を交流電圧に変換するための複数の半導体スイッチング素子を有するインバータ部と、
前記半導体スイッチング素子にそれぞれ並列に接続されたソフトスイッチング用コンデンサと、
前記インバータ部の交流出力端子間に接続された双方向スイッチとトランスの一次巻線と共振用コイルとの直列回路と、を備え、
前記双方向スイッチを、還流ダイオードがそれぞれ逆並列に接続された二つの半導体スイッチング素子を逆直列に接続して構成される電力変換装置において、
前記インバータ部及び前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体材料により構成し、かつ、前記還流ダイオードをシリコン系の半導体材料により構成したことを特徴とする電力変換装置。 DC power supply,
An inverter unit having a plurality of semiconductor switching elements for converting a DC voltage of the DC power source into an AC voltage;
A soft switching capacitor connected in parallel to each of the semiconductor switching elements;
A bidirectional switch connected between the AC output terminals of the inverter unit, a series circuit of a primary winding of the transformer and a resonance coil;
In the power converter configured by connecting the two-way switch in reverse series with two semiconductor switching elements each having a reflux diode connected in antiparallel,
A power conversion device, wherein the semiconductor switching elements constituting the inverter unit and the bidirectional switch are made of a wide band gap semiconductor material, and the reflux diode is made of a silicon-based semiconductor material. 請求項３に記載した電力変換装置において、
前記インバータ部及び前記双方向スイッチを構成する半導体スイッチング素子が、ＳｉＣまたはＧａＮからなるＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to claim 3,
The power conversion device, wherein the semiconductor switching elements constituting the inverter unit and the bidirectional switch are MOSFETs made of SiC or GaN.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108123605A (en) * 2018-01-31 2018-06-05 华为技术有限公司 The control method of power converting circuit and line related translation circuit
WO2022211228A1 (en) * 2021-03-30 2022-10-06 삼성전자 주식회사 Converter using partial resonance and control method thereof
WO2023062943A1 (en) * 2021-10-14 2023-04-20 富士電機株式会社 Power conversion device and bi-directional switch

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108123605A (en) * 2018-01-31 2018-06-05 华为技术有限公司 The control method of power converting circuit and line related translation circuit
CN108123605B (en) * 2018-01-31 2020-06-26 华为技术有限公司 Control method of power conversion circuit and related power conversion circuit
US11201549B2 (en) 2018-01-31 2021-12-14 Huawei Technologies Co., Ltd. Control method of power conversion circuit, and related power conversion circuit
WO2022211228A1 (en) * 2021-03-30 2022-10-06 삼성전자 주식회사 Converter using partial resonance and control method thereof
WO2023062943A1 (en) * 2021-10-14 2023-04-20 富士電機株式会社 Power conversion device and bi-directional switch

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